Analisi di un filtro attivo di potenza per sistemi HVAC

Power quality represents a fundamental requirement in modern industrial plants, which are subject to an increasing presence of nonlinear loads. Among these are variable speed drives (VFDs) with diode rectifiers, which introduce non-negligible current harmonic distortions and can cause disturbances in the electrical grid, leading to inefficiencies, component overheating, and malfunctions of electronic devices. In this context, the use of advanced solutions such as active power filters (APFs) represents an effective strategy for mitigating these issues. This thesis work was carried out in collaboration with Daikin Applied Europe, a leader in the HVAC sector, which provided the industrial context and technical specifications for the project's development. To address this problem, a detailed simulation was developed in Matlab/Simulink with the aim of designing and validating a current control scheme in stationary αβ coordinates based on Proportional + Integral + Resonant (PIR) regulators. This approach overcomes the structural limitations of traditional PI regulators in tracking sinusoidal references: unlike PI regulators, PIR regulators guarantee zero steady-state error at the frequencies of interest, improving grid current quality and reducing its harmonic distortion. Particular emphasis was placed on the digital discretization of the regulator and its implementation in Simulink/Simscape, in order to ensure a realistic simulation consistent with the characteristics of the physical system while compensating for computational delay effects. The system model includes a power grid, an LCL filter, a DC bus, a three-phase converter, and a load represented by a 200 kW VFD. The results obtained are discussed with the aim of evaluating the effectiveness of the proposed control strategy in reducing line current harmonic distortion, providing design guidelines for implementation on a real platform.

La qualità dell’energia elettrica rappresenta un requisito fondamentale negli impianti industriali moderni, soggetti ad una crescente presenza di carichi non lineari. Tra questi vi sono i convertitori a velocità variabile (VFD) con raddrizzatore a diodi che introducono distorsioni armoniche di corrente non trascurabili e che possono determinare disturbi nella rete elettrica, portando a inefficienze, surriscaldamento dei componenti e malfunzionamenti dei dispositivi elettronici. In questo contesto, l’uso di soluzioni avanzate come i filtri attivi di potenza (APF) rappresenta una strategia efficace per mitigare tali problematiche. Questo lavoro di tesi è stato portato avanti in collaborazione con l’azienda Daikin Applied Europe, leader nel settore HVAC, che ha fornito il contesto industriale e le specifiche tecniche per lo sviluppo del progetto. Per affrontare questo problema è stata sviluppata una simulazione dettagliata in Matlab/Simulink con l’obiettivo di progettare e validare un controllo di corrente in coordinate stazionarie αβ basato su regolatori Proporzionale + Integrale + Risonante (PIR). Questo approccio permette di superare i limiti strutturali dei tradizionali regolatori PI nell’inseguimento di riferimenti sinusoidali: a differenza di questi ultimi, infatti, i PIR garantiscono errore nullo a regime alle frequenze di interesse, migliorando la qualità della corrente di rete e riducendone la distorsione armonica. Particolare enfasi è stata data alla discretizzazione digitale del regolatore e all’implementazione in Simulink/Simscape, al fine di garantire una simulazione realistica e coerente con le caratteristiche del sistema fisico compensando gli effetti del ritardo di calcolo. Il modello del sistema comprende una rete di alimentazione, un filtro LCL, un bus DC, un convertitore trifase e un carico rappresentato un VFD da 200 kW. I risultati ottenuti vengono discussi con l’obiettivo di valutare l’efficacia della strategia di controllo proposta nella riduzione della distorsione armonica della corrente di linea, fornendo indicazioni progettuali per l’implementazione su piattaforma reale.